α : fracción de poros bloqueada; b: velocidad de adsorción; J: densidad de flujo de permeado; Jss: densidad de flujo de permeado en estado estacionario; K: parámetro característico; R’a : resistencia por adsorción; Rg: resistencia de la torta; Rm: resistencia de la membrana; t: tiempo

20

40

60

80

100

120

140

20

30

40

50

60

70

80

0 25 50 75 100 125

J (

L/

m2·h

)

J (

L/

m2·h

)

Tiempo (min)

BSA + CaClWPC 22.2 g/LWPC 33.3 g/LWPC 44.4 g/LBSA

2

Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 30 kDa20

30

40

50

60

70

80

10

20

30

40

50

60

0 25 50 75 100 125

J (

L/

m2·h

)

J (

L/

m2·h

)

Tiempo (min)

BSA + CaClWPC 22.2 g/LWPC 33.3 g/LWPC 44.4 g/LBSA

2

Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 15 kDa20

30

40

50

60

70

80

10

15

20

25

30

35

0 25 50 75 100 125

J (

L/

m2·h

)

J (

L/m

2·h

)

Tiempo (min)

BSA + CaClWPC 22.2 g/LWPC 33.3 g/LWPC 44.4 g/LBSA

2

Ensuciamiento a 2 bar, 2 m/s, 25 ºC, 5 kDa

TAREA 2. Modelización del ensuciamiento de las membranas

Evolución de la densidad de flujo de permeado con el tiempo

Modelos matemáticos de ultrafiltración:

1) Hermia adaptados a filtración tangencial 2) Combinado 3) Resistencias en serie

gam Rbtexp'RR·

PJ

1 torta formacióncompleto bloqueocombinado JJJ 1

n

ss JJJKdt

dJ 2

n = 2: bloqueo completon = 1.5: bloqueo estándarn = 1: bloqueo intermedion = 0: formación de torta

APLICACIÓN DE TÉCNICAS NO CONVENCIONALES DE LIMPIEZA EN MEMBRANAS UTILIZADAS EN LA INDUSTRIA LÁCTEA

Autora: María José Corbatón Báguena macorba@posgrado.upv.es

Directoras de Tesis Doctoral: Silvia Álvarez Blanco y María Cinta Vincent Vela

Programa de Doctorado en Ingeniería y Producción Industrial

AGRADECIMIENTOS

• Ministerio de Economía y Competitividad (proyecto CMT2010-20186, becas BES-2011-044112 yEEBB-I-14-09011).

• Dra. Lidietta Giorno, ITM-CNR, Università della Calabria.

• Dr. Valentín Pérez Herranz y Dra. Emma Ortega Navarro, Grupo IEC, Dpto. de Ingeniería Química yNuclear, UPV.

• Empresa MAGNETO Special Anodes B.V., Holanda.

RESULTADOS OBTENIDOS Y PREVISTOS

TAREA 1:

• Altas temperaturas y velocidades tangenciales favorecen la limpieza de las membranas, mientras que existe un valoróptimo de concentración de NaCl para llevar a cabo la limpieza de manera efectiva.

• Se obtienen las condiciones de operación óptimas para cada una de las membranas y disoluciones alimento estudiadas.

• Se confirman los resultados con otras disoluciones procedentes de la industria alimentaria: disoluciones de pectinasas yaguas residuales del prensado de aceitunas.

TAREA 2:

• Los mecanismos de ensuciamiento responsables del descenso de la densidad de flujo de permeado con el tiempo son elbloqueo completo y la formación de torta.

TAREA 3:

•Altos potenciales de campo eléctrico aplicado y temperaturas suaves favorecen la limpieza de las membranas.

•Se obtienen las condiciones de operación óptimas para cada una de las membranas y disoluciones alimento estudiadas.

II Encuentro de Estudiantes de Doctorado de la UPV

OBJETIVO PRINCIPAL

Proponer, ensayar y optimizar técnicas no convencionales de limpieza de membranas de ultrafiltración utilizadas en la

industria láctea.

Estudiar el ensuciamientodepositado y/o adsorbidosobre las membranas.

Analizar el ajuste demodelos matemáticos alos datos experimentalesdurante el ensuciamiento.

Determinar la influencia delas condiciones de operaciónsobre la eficacia del procesode limpieza.

Relacionar los tipos demembranas y los tipos deensuciamiento con latécnica de limpieza másefectiva.

PUBLICACIONES

• M.-J. Corbatón-Báguena, S. Álvarez-Blanco, M.-C. Vincent-Vela, Sep. Purif. Technol. 125 (2014) 1-10.

• M.-J. Corbatón-Báguena, S. Álvarez-Blanco, M.-C. Vincent-Vela, Sep. Purif. Technol. 132 (2014) 226-233.

• M.-J. Corbatón-Báguena, S. Álvarez-Blanco, M.-C. Vincent-Vela, Desalination 360 (2015) 87-96.

• M.-J. Corbatón-Báguena, A. Gugliuzza, A. Cassano, R. Mazzei, L. Giorno, J. Membr. Sci. 486 (2015)207-214.

Para alcanzar estos objetivos, se llevarán a cabo las siguientes tareas, utilizando:

• 3 disoluciones modelo de lactosuero

Proteína de lactosuero: Seroalbúmina bovina (BSA)

Proteína + sales minerales: BSA + CaCl2

Concentrado de proteínas de lactosuero (WPC)

• 4 membranas diferentes

Cerámicas monotubulares de 15 y 50 kDa (TAMI Industries)

Orgánicas planas de 5 y 30 kDa (Microdyn Nadir)

UTILIDADES DE LA INVESTIGACIÓN

• Desarrollo y optimización de nuevas metodologías delimpieza de membranas de ultrafiltración menos dañinas alargo plazo con las membranas y con un menor impactomedioambiental.

• Obtención de dos corrientes

Rechazo: corriente acuosa concentrada enproteínas que permite la posterior recuperación delas mismas para ser utilizadas en distintasindustrias (por ejemplo, farmacéutica).

Permeado: corriente acuosa con lactosa, sales y unaconcentración de proteínas despreciable.

ANTECEDENTES

• Por 1 kg de queso producido, se generan 9 L de lactosuero líquido.

PROBLEMA: DQO ≈ 60000 mg O2/L

• Composición típica del lactosuero dulce (pH ≈ 6):

• Por ello, las industrias lácteas tratan de recuperar las proteínas del lactosueromediante distintos procesos, entre ellos, la ultrafiltración.

PROBLEMA: Las proteínas ensucian las membranas

• Los métodos convencionales de limpieza de membranas pueden llegar adañarlas, disminuyendo su vida útil.

SOLUCIÓN: Métodos alternativos de limpieza

Alto valor añadido

SALES MINERALES = 0.40%

LACTOSA = 5.08%

PROTEÍNAS = 0.90%GRASA = 0.30%

AGUA = 93.32%

0

20

40

60

80

100

Efi

caci

a d

e l

imp

ieza

(%

)

Agente de limpieza (concentración de sal: 100 mM)

Limpieza a 1 bar, 4.2 m/s, 25 ºC, 15 kDa

Agua Na2SO4 KCl NaCl NH4Cl NaNO3

EficaciaImpacto ambientalCoste

TAREA 1. Limpieza de membranas mediante disoluciones salinas

Efecto del tipo de sal

Una vez seleccionada lasal, se estudia el efecto de

• La concentración de NaCl en la disolución de limpieza

• La temperatura de la disolución de limpieza

• La velocidad tangencial durante la etapa de limpieza

• Relación de la eficacia de limpieza enfunción de las condiciones de operación

• Determinación de las condicionesóptimas

• Evaluación económica de la técnica

• Predicción del descenso de la densidadde flujo de permeado con el tiempo

• Obtención de los mecanismos deensuciamiento predominantes

TAREA 3. Limpieza de membranas mediante campos electromagnéticos

Se estudia el efecto de • El potencial del campo eléctrico aplicado

• La temperatura de la disolución de limpieza

• Relación de la eficacia de limpieza en función delas condiciones de operación

• Determinación de las condiciones óptimas

• Evaluación económica de la técnica

Ánodo: electrodo de Ti-Ir (MAGNETO)

Cátodo: membrana cerámica

Módulo de membranas de Plexiglas®